Verilog与VHDL下状态机设计详解与案例比较

本文档是一篇关于状态机设计的编程教程，主要针对数字逻辑工程师，使用Verilog和VHDL这两种广泛应用于硬件描述语言（Hardware Description Language，HDL）。作者Steve Golson在1994年撰写，探讨了如何设计异步有限状态机（Asynchronous Finite State Machine，FSM），这是一项常见的工程任务。 首先，文章从介绍FSM的一般结构开始，指出它由一个状态寄存器（存储n个触发器，受单个时钟信号驱动，因此称为同步状态机）构成。状态寄存器中的状态向量，即当前状态，是决定机器行为的关键。机器的下一个状态取决于当前状态向量和输入信号。对于Mealy型状态机，输出不仅基于当前状态和输入，而Moore型状态机则只依赖于当前状态。 设计者可以选择不同的方法来实现状态机，如图1所示的传统结构，每种状态都有相应的输入处理逻辑。然而，另一种组织方式仅使用一个逻辑块，如图2所示，这种方法简化了设计，但可能需要更复杂的控制逻辑来处理所有状态的转换。 接下来，作者介绍了基本的高级硬件描述语言（HDL）编码技术。在HDL中，如Verilog或VHDL，状态机的逻辑通过case语句或者if-else结构来描述。这里涵盖了所有可能的当前状态和输入组合，这些组合会触发特定的行为，从而实现状态机的转移和输出功能。 在实际应用中，作者将比较不同设计方法和编程风格，并通过实例分析来帮助读者理解和掌握状态机设计的各个方面。此外，文档还可能涉及设计原则、优化策略以及在Synopsys Design Compiler等工具的使用技巧，确保读者能够在实际项目中灵活运用所学知识。 这篇教程提供了从理论到实践的全面指南，无论是初学者还是经验丰富的工程师，都能从中受益匪浅，掌握状态机设计的基础知识和技巧，特别是对于使用Verilog和VHDL进行异步有限状态机设计的工程师来说，是一份宝贵的参考资料。